天工造物 揭開生命形態多樣性之謎 AINSI CREE LA NATURE 撰文 Francois Lassagne

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1 天工造物 揭開生命形態多樣性之謎 AINSI CREE LA NATURE 撰文 Francois Lassagne
Philippe Chambon 編譯 全志鋼

2 物種的多樣性是如何實現的? 生物學家剛剛解開這個謎團。對進化起支配作用的可能就是由區區幾個基因決定的一些簡單的幾何規則。這一全新的視角引導我們去窺探大自然的奇思妙想，也令我們對一直隱於達爾文光環之下的大學者達西．湯普森肅然起敬。

3 一片楓葉、一片橡樹葉和一片栗樹葉，無論大小、形狀抑或質地，它們之間的差異均一目了然。另一個顯而易見的事實則是，所有的樹葉似乎全都是根據同一個模版裁剪出來的，就好象從相同的初始形狀出發，各自經歷了成長、收縮、扭曲或變形的過程…而且這一印象適用於任何物種。儘管個體之間存在差異，但歸根到底最像狗的只能是另一隻狗、最像蝴蝶的只能是另一隻蝴蝶、最像蒼蠅的只能是另一隻蒼蠅

4 該如何解釋這些既令物種彼此接近又使它們分道揚鑣的差異和相似性呢？簡言之，在進化過程中製造出如此多樣化生命的大自然的奧秘究竟是甚麽？通過一項幾何學、形態學、遺傳學、蛋白質學和胚胎學的交叉研究，物種演化的秘密已不再神秘，答案令我們不禁再次爲大自然的鬼斧神工嘖嘖稱奇。爲了造化出生命的千姿百態，大自然運用的不過是一個簡單又有效的小伎倆。

5 歐幾里德幾何 這就是美國哈佛大學進化生物學系的阿克哈特‧阿布查諾夫 (Arkhat Abzhanov) 及其同事通過研究得出的結論。早在30多年前，生物學家就提出，不管是在樹葉中，還是在蝴蝶、蒼蠅甚至人類的身上，都存在著一些所謂的“建築師基因”，它們能夠促進細胞的成長、分化乃至凋亡，從而決定著生物機體的構造。阿克哈特．阿布查諾夫及其同事對這些 “建築師基因”進行了深入研究。結果他們發現，有些基因能夠使這一構造發生變形。當然這種變形並不是毫無章法的，而是依循中學生都能理解的歐幾裏德幾何原理！

6 研究小組發現，這些奇怪的基因 —我們姑且稱之爲 “測量者基因”— 發揮著尺規的作用，它們在表達程度上的任何微小變化都會導致生物外形的改變。於是，有的生物體就變得又細又長，而有的卻變得又圓又胖。因此，我們或許可以這樣解釋物種的創造：生物的進化並非受到那些奇怪而複雜的基因重組的主宰，而是由若干基因主導的簡單幾何變形所支配。回顧歷史，進化的這種幾何原動力是藉由一個在生物學家的心目中佔據獨特地位的物種而得以證實的，它就是加拉帕戈斯群島上的燕雀，即“達爾文雀”。

7 1835 年，年輕的達爾文來到太平洋中這個由 20多座小島組成的群島上進行考察，在這裏，他發現了一個由衆多既熟悉又奇特的物種所構成的世外桃源。除了鬣蜥、龜和信天翁以外，吸引他注意的還有燕雀。他發現，生活在不同島嶼上的這種鳴禽之間差別極大，尤其是它們的喙，形狀和大小存在巨大差異。啄食土中種子或樹上果實的燕雀，喙寬大而有力；而在枝葉間捕食昆蟲的燕雀，喙則較爲修長…統計在冊的 13 種燕雀，其鳥喙形式之多樣令達爾文非常吃驚。

8 確實，這部奠基性著作開篇就是對鳥喙和羽毛的細緻描述。當然，達爾文在此處描寫的並非燕雀 — 而是他對不同 “品種”的養殖鴿的觀察，但關注點是相同的，都是在探尋相近物種之間的關聯。“這幾個品種的骨骼，其面骨的長度、闊度、曲度的發育大有差異。下顎的枝骨形狀以及闊度和長度，都有高度顯著的變異。” 達爾文寫道。而在後文中，他強調：“鴿類品種間的差異固然很大，但我充分相信博物學家們的一般意見是正確的，即它們都是從岩鴿傳下來的。”

9 （譯注：以上文中所引用《物種起源》內容摘自 2009 年 7 月商務印書館版，周建人、葉篤莊、方宗熙譯）這便是達爾文的主要觀點。後來，他將這一觀點推及所有的生物﹕任何動植物物種都是其祖先物種發生變化的結果，隨著變化特徵的不斷積累沈澱，在某些方面區別於舊物種的新物種個體便應運而生。這一觀點迄今仍不斷得到遺傳學、生物學及古生物學大量研究資料的證實。

10 突變和選擇，在達爾文的傳人看來，加拉帕戈斯群島燕雀的喙完美體現了物種進化這兩大基本力的共同作用。這樣說來，“達爾文雀”的進化史應該是這樣的︰230 萬年前，一群單一品種的燕雀來到加拉帕戈斯群島。隨著世代更替，在昆蟲類食物豐富的島嶼上，因機緣巧合而長出普通燕雀更加細長的喙的個體漸漸佔據了優勢，而種子豐富的島嶼則成爲喙又寬又短的燕雀的立身之地。

11 經過這一不可逆轉的進程的塑造，喙的形狀爲了適應燕雀棲身的島嶼所提供的食物類型而漸漸發生演化，最終催生了達爾文所觀察到的那 13 個品種。然而，還有一個未解之謎：這些鳥兒的形態到底是通過怎樣的生物學機制而發生變化的？是什麽樣的突變導致一脈相承的燕雀喙有的變長、有的變厚﹖

12 第一位生物數學家 爲了回答這一迄今無解的問題，阿克哈特．阿布查諾夫想到可以去生物學的另一部里程碑式著作 —《生長與形態》（On Growth and Form）中找尋靈感。這部著作出版於1917年，作者爲達西．湯普森 (D’ Arcy Wentworth Thompson)。它可謂有史以來最美好的一部科學書籍，但不知何故知之者甚少。達西．湯普森何許人也﹖他是一位元蘇格蘭生物學家和數學家，生於1860年，恰是《物種起源》問世後一年。他專注於對物種的幾何形狀進行比較研究，期望由此探究主宰自然形態的基本力量。

13 這個史上首位生物數學家堅信：“物種與物種之間主要的差異歸根結底就是比例的差別，或稱相對幅度的差別，抑或是亞裏士多德所說的不足與過剩之間的差別。”他提出一種“形態變化理論”，企圖通過基本的幾何形態變化（旋轉、位似等）找到不同物種個體形態之間的關聯。而這竟然行得通！在書中，這位元蘇格蘭生物學家把一些規則的方格圖套在不同的物種構造上，通過列舉諸多令人印象深刻的例子，證明了如何以幾何的方式找到兔子顱骨與馬的顱骨之間、刺魨魚與翻車魚之間的形態聯繫，以及各種蟹類甲殼外形的聯繫。

14 一條補充途徑 那麽，是不是通過對黑猩猩和人類顱骨的若干圖片進行一番比對，就能明確建立這兩個表親物種之間的親屬關係程度？非也。“形態變化理論”的精確度是很不夠的，作者自己也承認這一點。而且有的時候，他完全就是拿著那些方格圖對某些物種之間的進化分支進行揣測。不過無論如何，這位元蘇格蘭生物學家畢竟開闢了一條新的道路，可以充當達爾文所描繪的路線的補充。他不想利用進化這一漫長進程中環境壓力所造成的外部約束來解釋生物體的形態，而是提請人們對胚胎發育這一短暫過程中各種物理力所造成的內部約束進行研究。

15 不得不承認這條介乎幾何學與生物學之間的路線在 20 世紀極少受到重視。大部分進化學家的視線都被分子生物學層出不窮的新發現所吸引，而沒有對生物機體整體形態加以重視，更不要說躬身研究主導它們發展的機制了。然而，阿克哈特‧阿布查諾夫的研究組正是重新戴上了蘇格蘭博物學家達西‧湯普森的眼鏡才得以豁然開朗，看清了物種多樣性的起源。

16 研究人員先是從加拉帕戈斯群島的 13 個燕雀品種中各挑出兩三隻個體，對它們喙的外形進行了掃描，這樣就可以精確描繪出每種喙的典型形態…並且得以發現，無論從哪一種喙的形態出發，只要進行兩步非常簡單的幾何形態變化，就能獲得任何另外一種喙的形態。這兩個步驟就是位元似和矢向變化，其實簡單至極。設想一下，在一個方格圖裏繪出一種喙的形態，將這一方格圖加以放大或縮小 — 這便是位元似步驟，或者根據某一特定角度對其水平線或垂直線進行傾斜 — 這便是矢向變化步驟。這樣兩個幾何學步驟就足以將以堅果爲食的燕雀那種巨大的喙變形爲以昆蟲爲食的燕雀細長的喙。這可以說是直接繼承達西‧湯普森理論衣缽帶來的一大驚喜。

17 而這還只是一個開始。通過這兩個步驟，不僅能夠找到 13 個燕雀品種之間的聯繫，還可以把它們分成三個組別。在每一組中，所有的喙都具有相同的形狀，且位似相近；要從一組過渡到另一組，僅需進行一次簡單的矢向變化。而且，這種基於純幾何學分析得出的分類與進化樹上的分類完全對應：第一組集中了地雀屬 (Geospiza) 的所有品種，第二組涵蓋了樹雀屬 (Camarhynchus) 、可島雀屬 (Pinaroloxias) 及鶯雀屬(Certhidea)，而第三組則是植食雀屬(Platyspiza)。

18 換言之，幾何形態變化形成的組別與傳統分類法對燕雀屬種的分類完全吻合。這是歷史上的第一次，達西．湯普森的變形方格圖與達爾文的進化樹實現了重合。法國巴斯德研究所分子遺傳與形態形成實驗室的研究員伯努瓦．羅貝爾(Benoit Robert) 總結說：“基於形態變化作出的分類確實可以成為物種分類的一種模式，這并不完全出乎意料，但尚待証明。不過這種方法得出的系譜結構似乎驚人地可靠。”

19 但這并不是該項研究的主要意義所在。阿克哈特．阿布查諾夫強調說：“我們的目的并不是對燕雀的系譜樹加以檢視﹗這一系譜樹通過先前一些基於諸多分子標記的研究已經得到建立。”對於他和同事們來說，真正的挑戰在於：在証明了幾何形態變化的關聯性後找到這些形態變化的生物學根源。他們的推理建立在一個大膽的假設之上，而這一假設直接受到達爾文和湯普森研究的啟迪。

20 如果說在過去幾百萬年間，這些喙的形態僅僅是通過位似和矢向變化這兩種幾何形態變化而發生演變的話，那麼在形成這些鼻腔附件的蛋白質生產模式中 (鳥喙在早期胚胎發育過程中是從鼻腔附件中衍生出來的)，就應該存在兩種遺傳機制，它們的作用純粹是幾何學意義的，一種能夠擴大鳥喙，而另一種則使其傾斜。

21 BMP4, 關鍵蛋白質 說來也巧，哈佛大學的這些生物學家恰好在幾年前對與燕雀非常接近的一種動物 --- 雞的發育遺傳進行過研究。他們特別研究過一種名為 BMP4 的蛋白質。這種蛋白質會在胚胎發育時對骨骼生長發揮作用，而它似乎也控制著喙的大小。那麼，生產這種蛋白質的遺傳機制是否就是位似形態變化的標尺呢？

22 為了弄清楚這一點，科學家們開始著手測量胚胎發育時產生的這種蛋白質的數量。這項任務十分复雜，必須在胚胎發育的某個確定時間，對十個胚胎組織中的這種蛋白質進行監測。這一努力取得了成果。科學家們得以証明：胚胎鳥喙中的 BMP4 蛋白質越多，嵌套成年鳥喙的方格就越顯“拉長”。因此，主導這種蛋白質生產的基因的確發揮著位似標尺的作用。只要這一標度朝著某個方向稍作移動，最後成形的鳥喙就會變大或變小，而其形狀從整體上看是完全一樣的。

23 從理論上說，只要在胚胎發育的特定階段對BMP4的數量進行操縱，就可能把大嘴地雀 (Geospiza magnirostris)的鼻腔附件變形為小地雀(Geospiza fuliginosa)的，或者把擬鴷樹雀(Camarhynchus pallidus) 的變成鶯雀 (Certhidea olivacea) 的！雖然這些生物學家并沒有進行這樣的嘗試，但在 2004 年，一項以雞為對象的活體實驗已經取得了成功。研究人員通過對 BMP4 蛋白質的表達進行操作，使處於胚胎階段的雞在喙的大小上發生了真切的改變 …… 但其形狀依然是雞喙的形狀！

24 只要對這些基因的表達程度加以改變，就足以使一個品種的金魚草變成另一個品種。
確實，目前只發現了負責位似的機制，負責“矢向變化”的機制仍然是一個謎。不過，也許這種情況不會持續太長時間了。阿克哈特．阿布查諾夫就願意相信這一點：“我們已經開始探索到底是胚胎發育的哪些階段能夠制造出由矢向變化造成的喙的各種形狀，比如鶯雀和小樹雀 (Camarhynchus parvulus) 的喙。我想我們應該把注意力集中在胚胎發育的早期階段。我的確認為，一旦發現了這些機制，我們就能夠在針對雞的實驗中演繹出‘矢向變化’型的形態變化。”

25 經濟節約 與此同時，哈佛研究組還致力於將其研究拓展至與燕雀關係或遠或近的其他鳥類的喙上。此外，還有幾個實驗室也在努力對各種生物的結構尺寸進行嚴格測量，以期從中找到幾何形態變化與遺傳表達之間的聯系。尤其值得一提的是英國約翰 - 英納斯研究中心 (John – Innes Centre) 的恩里科．科恩 (Enrico Coen) 實驗室進行的對金魚草葉子形態形成機制的研究。

26 金魚草是一種生長在西歐和美國的形態多變的野生植物，通過對 20 餘個不同品種金魚草的葉子進行精確分析，并將這些數據與它們的基因表達圖譜進行對照，科學家們發現了三種有 15 個基因參與的機制，它們的作用純粹是幾何學意義上的，能夠催生出已知的所有形態（第一種機制屬於位似范疇，能夠改變葉子的大小，另外兩種機制負責使葉子的構造發生變形）。和燕雀的情況類似，這三種機制起到了調節葉子形狀的標尺作用。只要對這些基因的表達程度加以改變，就足以使一個品種的金魚草變成另一個品種。

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28 儘管這些研究工作依然很片面，但它們已經幫助我們找到了一個此前不為人知的物種形態變化的動因。由此看來，生物的基因組，無論是動物還是植物，似乎都配備了一定數量的幾何標尺，使得進化進程能夠經濟節約地開發出新的形態。而且操作起來極其靈活便利！

29 與其等待奇蹟般的隨機遺傳突變的發生，不如通過操縱這些標尺產生出紛繁多樣的形態來得簡單。只需要略微改動這些標尺的位置，就能使機體器官拉長變形。這樣一來，在受控於大自然耐心選擇的幾何突變作用的漫長世代更替中，生物器官形態不斷地發生著變化，并不斷地遘適應著周遭環境的變化。

30 受到達爾文進化理論和達西．湯普森形態變化理論共同啟發的這場對“測量者基因”的追尋才剛剛開始。讓我們期待生物學與幾何學的聯姻能夠更好地破解這一謎題：進化為塑造如此紛繁多樣的物種到底採取了哪些機巧？讓我們期待造物天工的神秘面紗終將被揭開。

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32 問：兩個物種的形態差異取決於某種白質的表達程度，這一發現在生物學上有何意義？
答：這些研究對於我們理解生物的形成有著令人激動的意義。其新意在於，它們不只是在某種基因與某種形態之間建立起聯系（這終歸是極其有限的），而是在基因的表達程度與生物形態之間建立起聯系。這要微妙得多了。而且它們強調了基因之間相互作用的重要性，基因的相互作用使得各種可能性大大增加。這樣一來，基因之間的相互作用就變成了和血型、眼睛顏色一樣的表現型，即一種可見特征的集合，而表現型的概念也由此得到了拓展。原本它通常被視作是與基因型（基因的集合）相對立的概念。

33 問：達西．湯普森用幾何變形解釋物種差異的做法重新獲得了關注，該如何理解這一點？
答：根據達西．湯普森的解釋，生物的形態會自我复制，是因為其結構圖案就像結晶作用一樣總是會以同樣的方式“停滯”在一些基本的程度上。但是，可以說他完全不了解基因具有保存和延續形態的作用。長期以來，生物學界對其理論上的這一困境非議頗多。但最近的一些研究工作對一些不完全由基因編碼決定的生化現象進行了探索，與他的著作形成了呼應。比如細胞骨架的材料微管，即細胞的構築，當然必須有一些基因來對構築它們的微管蛋白進行編碼，但它們聚合的形態卻主要是由一種自我裝配現象所決定，而并非由基因組編碼決定的。

34 問：這與遺傳學以及進化論的結論相矛盾，不是嗎？
答：不，并不存在矛盾，也不存在物理學與遺傳學的競爭。作為達爾文進化論的支持者，就不能否認生物機體是會受到物理應力影響的！這只不過是重申遺傳是生物機體的一種記憶，生物機體用它來適應應力并在應力中持續下去；而生物機體不僅與應力共存，還是由應力所造就。近年來，人們開始對物理應力導致的影響進行測定。埃瑪紐埃爾．法爾熱(Emmanuel Farge) 的研究就是一個很好的例子，他對於機械壓力對果蠅胚胎的基因所造成的影響進行了考察。

35 問：進化論通過一種雙重運動來解釋生命的狀態，即偶然出現的變異的傳承和自然的選擇。後來它得到拓展，亳不費力地納入了基因概念。今后它是不是還應該把一系列力學、幾何學、物理學現象吸納進來？
答：應該承認，有很長一段時間，人們都沉醉在“萬能的基因”之中。理查德．道金斯(Richard Dawkins)的“自私的基因”理論甚至認為，生物機體只不過是基因短暫搭乘的車輛，基因通過世代更替而超越機體延續下去。這種理論對於脫離道德層面來解釋一些表面上的利他行為是有益的，不過它導致了這樣一種假設：在我們身上存在著一種出奇強大的最終決定程序， 那就是我們的基因。 全文完